Modeling and control of a hydraulically operated manipulator for autonomous timber loading

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der mathematischen Modellierung und modellbasierten Regelung des Hauptarms eines Forstkrans Palfinger Epsilon TZ17. Forstkräne sind für den modernen Holzeinschlag unverzichtbar, doch ihr manueller Betrieb birgt Probleme wie hohe Arbeitsbelastung des Fahrers, geringere Effizienz und Leistungsschwankungen. Die Automatisierung von Forstkränen bietet das Potenzial, diese Probleme zu lösen, indem sie die Produktivität steigert, den Energieverbrauch optimiert und die Belastung der Bediener reduziert. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Hydrauliksystem des Hauptarms des Krans mathematisch modelliert, wobei hydraulische Komponenten wie ein druckkompensiertes Wegeventil, ein Schlauchbruchventil und hydraulische Speicher im Modell inkludiert werden. Das mathematische Modell wird aus physikalischen Prinzipien hergeleitet und die unbekannten Parameter werden mittels Identifikationsmethoden geschätzt, um eine genaue Beschreibung der Systemdynamik über ein breites Spektrum von Betriebsbedingungen sicherzustellen. Schließlich wird das mathematische Modell anhand von experimentellen Daten in einer Simulationsumgebung validiert. Des Weiteren wird das validierte Modell für den Entwurf eines modellbasierten Trajektorienfolgereglers verwendet. Dieser Regler hat eine Kaskadenstruktur, die Feedforward- und Feedback-Regelungsstrategien kombiniert, um die Bewegung des Hauptarms entlang gewünschter Solltrajektorien zu stabilisieren. Anschließend wird das Regelungskonzept auf Robustheit und Stabilität in einer Simulationsumgebung untersucht, indem die Modellparameter wie der Vorfülldruck im Speicher, der Kompressionsmodul, die Zylinderreibung und die Lastmasse variiert werden. Die Ergebnisse zeigen die Effektivität des Modellierungsansatzes bei der Erfassung der Systemdynamik sowie die Anwendbarkeit der Regelungsstrategie für präzise und robuste Trajektorienfolgeregelung.

This thesis focuses on the mathematical modeling and model-based control of the inner boom of a forestry crane Palfinger Epsilon TZ17. Forestry cranes are essential for modern logging operations, yet their manual operation poses challenges such as high operator workload, reduced efficiency, and variability in performance. The automation of forestrycranes offers the potential to address these issues by improving productivity, optimizingenergy consumption, and reducing operator stress. A mathematical model is proposed to accurately represent the hydraulic system of the crane’s inner boom, incorporating hydraulic components such as a pressure-compensated directional control valve, a hose burst valve and hydraulic accumulators. The model is derived from first principles, with unknown parameters estimated through parameter identification techniques, ensuring accurate representation of the system’s dynamics across a broad range of operating conditions. Finally, the mathematical model is validated using experimental data in a simulation environment. The validated model serves as the foundation for designing a model-based tracking controller. This controller employs a cascade structure, combining feedforward and feedback control strategies to regulate the motion of the inner boom for precise trajectory tracking. Robustness tests are conducted to evaluate the controller’s performance under varying system parameters, including the pre-charge pressure in the hydraulic accumulators, oil bulk modulus, cylinder friction, and load mass. The results demonstrate the effectiveness of the modeling approach in capturing the system dynamics and applicability of thecontroller strategy for accurate and robust trajectory tracking.